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Fundamentos de la Luz Teoría Básica

Elaboración: ISR - Universidad de Coimbra - Julio 2017 Traducción: Ecoserveis - Noviembre 2017

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Sobre Ecoserveis

• Asociación sin ánimo de lucro creada en 1992.

• Promovemos un modelo energético justo y sostenible, que construya puentes entre la tecnología y la sociedad, la investigación y la innovación para identificar las necesidades energéticas de la población y aportar soluciones efectivas.

• Investigación e innovación

• Formación especializada

• Divulgación

• Consultoría técnica y social

• Dinamización comunitaria

• Intervenciones energéticas

Nuestras líneas de actuación ¿Quiénes somos?

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¿Qué es la Luz? • Maxwell la describe como radiación electromagnética que consiste en ondas que

viajan desde su origen en todas direcciones. • Albert Einstein, en su teoría de la relatividad, encontró que la velocidad de la

radiación electromagnética C, y por lo tanto la luz, es la velocidad más alta posible, cerca de 3x10^8 m/s.


Velocidad de la luz/Radiación electromagnética

c = λ . f 𝛌𝛌 – es la longitud de onda f – es la frecuencia - Número de ciclos por segundo - y se expresa en Hertz (Hz)

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¿Qué es la Luz? • Max Planck asumió que la energía (E) de la radiación se emite en porciones

indivisibles discretas, que llamamos quanta.

• De la teoría de Max Planck aprendemos que cuanto más corta sea la longitud de

onda, mayor será la energía de la radiación..


Energía de la radiación electromagnética

E = h . 𝑐𝑐𝜆𝜆

h = constante de Planck (6.626 × 10−34 J. s).

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Espectro electromagnético

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El ojo; cómo vemos la luz


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Curva de sensibilidad espectral del ojo para la visión fotópica V (λ), según CIE

• La sensibilidad del ojo varía significativamente con diferentes longitudes de onda del mismo contenido energético.

• Frente a niveles de luz diurna, el ojo es aproximadamente 20 veces más sensible a la luz con una longitud de onda de 555 nm (amarillo-verde) que a longitudes de onda de 700 nm (rojo oscuro) o 450 nm (violeta-azul).

CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION.

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Curva de sensibilidad espectral del ojo para la visión fotópica V (λ), según CIE

Una fuente de luz que emite 1 W de luz verde se verá mucho más brillante que otra fuente que irradie la misma cantidad de luz roja, ya que el ojo es más sensible en la región verde.

CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION.

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Cantidades y unidades fotométricas Flujo Luminoso Intensidad Luminosa Iluminancia Luminancia Reflectancia


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Flujo luminoso (F) Es la cantidad de luz emitida por una fuente de luz por

segundo. La unidad es el Lumen (lm) Su símbolo es Ф

Esta cantidad se incluye a menudo en las especificaciones de la lámpara en los catálogos, hojas de datos y en el embalaje de la lámpara.


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Intensidad luminosa (I) Es la cantidad de luz emitida por segundo en una dirección

específica en un ángulo sólido Ω = (S/r²) La unidad es la candela (cd)


𝐼𝐼 = Ф 𝛺𝛺

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El flujo luminoso mide la potencia total que se percibe de la luz, mientras que la intensidad luminosa mide la potencia percibida emitida por una fuente de luz en una dirección particular por unidad de ángulo sólido.


Flujo Luminoso Total, F Intensidad Luminosa, I

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Eficacia luminosa de la lámpara La eficacia luminosa de una lámpara es la relación entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica consumida y se expresa en lúmenes por vatio (lm / W). Cuanto mayor sea, mejor.


𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅𝐅 𝐋𝐋𝐅𝐅𝐋𝐋𝐋𝐋𝐋𝐋𝐅𝐅𝐋𝐋𝐅𝐅𝐏𝐏𝐅𝐅𝐭𝐭𝐭𝐭𝐋𝐋𝐭𝐭𝐋𝐋𝐭𝐭 𝐭𝐭𝐅𝐅𝐋𝐋𝐋𝐋𝐅𝐅𝐋𝐋𝐋𝐋𝐜𝐜𝐭𝐭

= Eficacia Luminosa (lm/W)

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Iluminancia (E) Es la cantidad de luz o flujo luminoso que cae por unidad de

superficie. La unidad de la iluminancia es el Lux (lx).

Flujo luminoso incidente en la superficie.

Área en la que incide la luz.

𝐸𝐸 =Ф𝐴𝐴

Valores típicos de iluminancia (Lux) Verano – Día soleado 100 000 lux Cielo nublado 5 000 lux Oficina, iluminada 500 lux Habitación de hotel o comedor 100 lux Luz de la luna, cielo despejado 0,25 lux

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Luminancia (L) La luminancia de un objeto o superficie que emite luz es la

intensidad luminosa (I) emitida por unidad de superficie aparente de esa superficie A en una dirección específica.

La unidad es candela por metro cuadrado (cd/𝐋𝐋𝟐𝟐).

L = I

Aa

Superficie de sol 1,650x10^6 cd/m2 Luz de filamento incandescente

7,000,000 cd/m2

Cielo azul/nublado 2,000 / 80,000 x10^3 cd/m2

Fluorescente 5,000 – 15,000 cd/m2 Escritorio de oficina 100 cd/m2 Alumbrado de carretera/calle

0.5 – 2.0 cd/m2

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Contraste (Contraste de luminancia) Es la relación entre la luminancia de un área de interés más

brillante y la otra oscura más adyacente.

Cada detalle crítico de una tarea visual debe diferir en brillo o color del fondo que lo rodea, para poder ser visto. La visibilidad es máxima cuando el contraste de luminancia (y el contraste de color, si está presente) de los detalles con el fondo es mayor.

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Terminología y variables de la luz

Nombre y símbolo Unidad Símbolo de la unidad Descripción

Flujo Luminoso (F) Lumen lm Cantidad de luz emitida por una lámpara

Intensidad Luminosa (I) Candela cd Flujo luminoso en una dirección

Eficacia Luminosa Lumen per Watt lm/W Eficiencia energética: flujo

luminoso por watt

Iluminancia (E) Lux lx Flujo luminoso que recibe una superficie

Luminancia (L) Candela por metro cuadrado cd/𝑚𝑚2

Brillo que se percibe de una superficie

Reflectancia Porcentage % ρ Relación entre la luz reflejada y la luz incidente

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Fundamentos de la Luz Reflexión y Absorción de la Luz

Reflexión

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Tipo de superficie

Ángulo de incidencia

Composición espectral

• En condiciones normales, sólo una parte de la luz que incide sobre una superficie se reflejará;

• La cantidad reflejada depende del tipo de superficie, del ángulo en el que incide la luz y la composición espectral de la luz.

• La reflexión oscila entre un pequeño porcentaje, para las superficies muy oscuras como el terciopelo negro, hasta más del 90 por ciento para el aluminio, la plata y ciertos tipos de pintura blanca.

Reflexión

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Se distinguen tres tipos de reflexión: reflexión especular, difusa y mixta.


Especular:

• Tiene lugar sobre una superficie lisa (agua inmóvil, vidrio pulido)

• El ángulo de incidencia de la luz es igual al ángulo de reflexión

• Los reflectores, especialmente los curvados, son muy populares cuando se requiere un control preciso de la luz, como en los focos, alumbrado de carretera e iluminación interior.

• Estos reflectores pueden ser parte de la luminaria o integrados en la propia lámpara.

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Reflexión difusa: • Ocurre si la superficie

muestra cierto grado de irregularidad.

• La luz incidente se refleja en todas las direcciones

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Reflexión mixta:


Reflexión Dispersa: es esencialmente especular, pero la luz reflejada forma un haz de dispersión. Una superficie de carretera mojada es

un ejemplo familiar. También es producido por superficies

corrugadas, martilladas, grabadas o empañadas.

Reflexión compuesta: es reflexión difusa con un componente fuerte en la dirección especular. Las superficies pintadas con pintura mate, piedras y superficies secas exhiben esta forma de reflexión.

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Transmisión


1. • Este caso muestra una

superficie cuyo material que puede ser transparente o translúcido.

• Cuando la luz impacta sobre esta superficie, la luz no reflejada se transmite.

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Absorción


2.

• La luz no reflejada se absorbe y desaparece en la superficie;

• La luz que desaparece en la superficie finalmente se convierte en energía térmica;

• El porcentaje de luz absorbida por una superficie depende del material, el ángulo de incidencia de la luz y su longitud de onda;

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Ejemplo:

• Una superficie roja refleja la luz roja pero absorbe la mayoría de los otros colores.

La suma de la transmisión, reflexión y absorción = 100%.

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¿Cómo se produce la luz?

Fundamentos de la Luz Luz Natural y Artificial

Existe en la naturaleza y es proporcionado por el sol, las estrellas, rayos, etc.

También puede ser producida artificialmente de diferentes maneras.

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Luz Natural: Luz que proviene de la naturaleza. El sol es la principal fuente de luz natural.


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Luz Artificial:


Hay básicamente tres tipos de iluminación: 1 Radiadores Térmicos: bombillas incandescentes o halógenas 2 Lámparas de descarga: fluorescentes, lámparas de alta o baja presión 3 Emisores de luz de estado sólido: LEDs y OLEDs (diodos emisores de luz orgánicos). Los tres tipos están disponibles en una amplia variedad de modelos y variantes.

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• La luz blanca se compone a partir de la mezcla de colores.

• La luz de un radiador térmico - el sol o una lámpara incandescente - se puede separar en la gama completa de colores espectrales: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul y violeta.

• Pero, no todos los colores espectrales aparecen en todas las fuentes de luz, y donde aparecen puede estar en proporciones varias.

• Si la luz blanca golpea una superficie, generalmente no todos sus colores serán reflejados en el mismo grado.

• Una superficie verde reflejará la luz de la parte verde del espectro, pero absorberá rojo y azul.

• Si las luces de colores se mezclan, el resultado será siempre más brillante que los colores de los componentes individuales.

Fundamentos de la Luz Luz y Color

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Teniendo en cuenta los tres colores básicos del espectro visible: Rojo, Verde y Azul, también conocidos como los colores primarios (RGB), al mezclarlos, ¡el resultado es luz blanca!


Rojo, Verde y Azul (RGB):

Colores Primarios

Amarillo, Magenta y Cyan: Colores Secundarios -

Cada uno consiste en una mezcla de dos

colores primarios.

Colores complementarios porque cuando se mezclan con el color primario que no está contenido en él, el resultado es de nuevo la luz blanca

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Cuerpo negro radiante: es el absorbente de luz perfecto. Absorbe toda la radiación electromagnética (luz) que le golpea y no refleja ninguna. Para mantenerse en equilibrio, debe emitir radiación a la misma velocidad que la absorbe. Es una fuente ideal de radiación térmica.


La energía se irradia no sólo en la región visible, sino también en el infrarrojo y, para temperaturas superiores a 3000 K, también en el rango de ultravioletas.

Con el aumento de la temperatura, el pico de la energía radiante se desplaza a longitudes de onda más cortas (la región azul del espectro).

Entre 3700 K y 7600 K, el pico se encuentra en la región visible.

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Fundamentos de la Luz Luz y Color Temperatura de Color de un cuerpo negro: La temperatura de un de cuerpo negro radiante determina con exactitud el espectro

de la radiación y, por lo tanto, el color percibido de la luz. Es habitual expresar la temperatura de color en K (Kelvin) con: :

K = ℃ + 273

Color de un cuerpo negro, desde 800 K hasta 12200 K.

• La llama de una vela (que consiste en partículas de carbón que brillan a una temperatura de alrededor de 2.000 K) emite una luz amarilla.

• El filamento de una lámpara incandescente (temperatura alrededor de 2700 K a 2800 K) es blanco amarillento, y el sol al mediodía (temperatura alrededor de 5800 K) es blanco.

• Cuanto más baja es la temperatura de color, más cálido (más rojizo) el color de la luz y más alta es la cantidad de radiación infrarroja producida.

• Cuanto mayor sea la temperatura de color, más frío (más azulado) será el color de la luz y más alta será la cantidad de radiación ultravioleta producida.

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Cromaticidad • La cromaticidad es una manera de caracterizar el color de la luz. • La cromaticidad capta el tono y la saturación de la luz, ignorando la

tercera dimensión de la visión humana (intensidad de la luz), que no es propiedad de las fuentes de luz, sino objetos.

• La cromaticidad es una simplificación de la distribución de potencia espectral, y se basa en modelos de visión humana que fueron desarrollados para un campo de visión específico.

• La cromaticidad también se utiliza para medir la diferencia de color, ya sea entre dos o más fuentes (consistencia del color) o para una fuente a lo largo del tiempo (estabilidad del color).


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Chromaticidad • Diversos diagramas de cromaticidad han sido desarrollados y

estandarizados por el Comité Internacional de Iluminación (CIE): • El diagrama de cromaticidad CIE 1931 (x, y) todavía se usa

frecuentemente para especificar la cromaticidad; • El diagrama de CIE 1976 (u ', v') es más uniforme y por lo tanto

mejor para determinar la diferencia de color o el cambio de color (Δu'v ').


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• Los diagramas de cromaticidad, tales como el diagrama de cromaticidad CIE 1931 (x, y) (a la izquierda de la diapositiva), se utilizan para proporcionar una especificación numérica para el color de la luz..

• El fondo de color es sólo de referencia visual, ya que los diagramas de cromaticidad no tienen en cuenta la intensidad de la luz.

• Los números alrededor del exterior indican la longitud de onda de la luz monocromática en la coordenada, en nanómetros..

• Los colores fuera del área sombreada no son visibles para el ojo humano.

• Un diagrama de cromaticidad se puede utilizar para comprobar la correspondencia de colores.

• En esta ilustración, las fuentes de luz con las cromaticidades indicadas por los círculos azules y círculos rojos se pueden mezclar para que coincidan en la X

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Temperatura de Color, CCT y Duv • La temperatura del color es un aspecto importante de la

apariencia del color, relacionado con cuánto "fría" (azulada) o "cálida” (amarillenta) percibimos nominalmente la luz blanca.

• CCT (Correlate Colour Temperature) es una métrica que relaciona la apariencia de una fuente de luz con la apariencia de una masa teórica, llamada cuerpo negro, si se calentase a altas temperaturas. A medida que un cuerpo negro se calienta, se vuelve rojo, naranja, amarillo, blanco y finalmente azul.

• La CCT de una fuente de luz, dada en kelvin (K), es la temperatura a la cual el cuerpo negro calentado coincide más estrechamente con el color de la fuente de luz en cuestión. Caracteriza el aspecto de la luz emitida, no el color de los objetos iluminados.


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Duv es una métrica que cuantifica la distancia entre la cromaticidad de una fuente de luz concreta y un cuerpo negro con la misma CCT.

• Un Duv negativo indica que la fuente está "por debajo" del locus del cuerpo negro, que tiene un tinte purpúreo.

• Un Duv positivo indica que la fuente está "por encima" del locus del cuerpo negro, que tiene un tinte verdoso.

• Juntos, un valor CCT específico y un valor Duv corresponden a un par específico de coordenadas de cromaticidad.


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• Un primer plano del diagrama de cromaticidad CIE 1960 (u, v), que muestra líneas de CCT constante, que son perpendiculares al locus del cuerpo negro en este diagrama de cromaticidad en particular.

• Para una CCT dada, una fuente con un valor positivo de Duv tiene una cromaticidad que se encuentra por encima del locus del cuerpo negro (que aparece ligeramente verdoso), mientras que una fuente con un valor negativo de Duv tiene una cromaticidad que se encuentra por debajo del locus del cuerpo negro(apareciendo ligeramente rosado).

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Mediante el trazado de las coordenadas x-y de un cuerpo negro de diferentes temperaturas en el triángulo CIE se obtiene una línea curva que se denomina locus de cuerpo negro.

Moviéndonos de derecha a izquierda en este locus de cuerpo negro nos movemos desde radiadores con una temperatura de color baja (luz roja-blanca) hasta radiadores con una alta temperatura de color (luz azul-blanca).

En contraste con los radiadores térmicos, la luz "blanca" de fuentes de luz como las lámparas de descarga de gas y las de estado sólido puede corresponderse a cualquier punto de color aleatorio a distancia del locus del cuerpo negro.

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• ANSI C78.377-2015 define gamas de cromaticidad asociadas con valores de CCT para fuentes de luz nominalmente blancas, usando el diagrama de cromaticidad CIE 1976 (u', v') .

• Cada bloque representa un rango de cromaticidad, por lo que las fuentes con el mismo valor nominal pueden no coincidir.

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• El diagrama de cromaticidad CIE 1976 (u’, v’) también se usa para calcular Δu'v ', que es una medida de diferencia de color o cambio de color. Es importante destacar que Δu'v 'es sólo una medida de la magnitud de la diferencia, no de la dirección.

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Apariencia de color y temperatura de color La apariencia de color de una fuente de luz que irradia algún tipo de luz blanca está altamente influenciado por la composición espectral de su luz y puede caracterizarse por su temperatura de color (correlacionada)..

Distribución de energía espectral de una lámpara incandescente (2800 K).

Distribución de energía espectral de la luz del día (5000 K).

CÁLIDO

FRÍO

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Apariencia de color y temperatura de color

Fuentes de luz como las de descarga de gas y las lámparas de estado sólido tienen este espectro discontinuo, contrariamente al espectro continuo de una lámpara incandescente.

La temperatura de color correlacionada se utiliza de la misma manera que la temperatura de color se utiliza para los radiadores térmicos.

Por lo tanto, una lámpara de descarga de gas o una lámpara de estado sólido con una alta proporción de rojo, y por lo tanto una temperatura de color correlacionada baja, parecerá más cálida, mientras que una fuente de luz blanca con una mayor proporción de azul, y por lo tanto una temperatura de color correlacionada más alta , se verá más fría.

Concepto: Índice Reproducción Cromática (CRI)

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Apariencia de color y temperatura de color La temperatura de color correlacionada también se utiliza para clasificar grupos de temperaturas de color/apariencia de color.

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Renderizado de color La representación de color define la capacidad de una fuente de luz blanca para renderizar los colores del objeto con precisión. Se expresa por el índice general de representación cromática (CRI) con valores de 0 a 100, donde 100 es el mejor (100 es proporcionado por luz natural). Se obtiene una excelente representación cromática mediante lámparas con un CRI por encima de 90ºC que son necesarias, por ejemplo, en áreas clínicas en hospitales, centros de atención médica, museos, teatros, para la inspección/control/selección de color y en algunos tipos de tiendas. En general, un CRI por encima de 80 se considera suficiente para una apreciación precisa de color en la mayoría de los espacios interiores.

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Renderizado de Color

CRI 92+ CRI aprox. 80

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Renderizado de Color – R9 Los índices especiales de renderizado de color, denominados de R9 a R14, se basan cada uno en una de las seis muestras especiales de color. No se utilizan para el cálculo del CRI, pero pueden utilizarse para análisis complementarios cuando sea necesario. La muestra de color "rojo fuerte", TCS09, y su métrica de fidelidad asociada, R9, son especialmente pertinentes, ya que la rendición de rojo saturado es particularmente importante para el aspecto de los tonos de piel, entre otros elementos, incluyendo la carne, pescado, fruta y verdura, que pueden verse afectados negativamente por la representación imprecisa del color rojo.


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Socios de Premium Light Pro

Financiado por la Comisión de la Unión Europea (UE) en el marco del programa Horizonte 2020

Socios de la UE

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Socios de Premium Light Pro

Nombre País Organización Email Bernd Schäppi Austria Austrian Energy Agency

www.energyagency.at

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Michal Stasa República Checa SEVEn

www.svn.cz

[email protected]

Caspar Kofod Dinamarca EnergyPiano [email protected] Anibal T. De Almeida Portugal Institute for Systems and

Robotics, University of Coimbra [email protected]

Stewart Muir Reino Unido Energy Saving Trust

www.energysavingtrust.org.uk/

[email protected]

Boris Demrovski Alemania CO2ONLINE

www.co2online.de

[email protected]

Andrea Roscetti Italia Politecnico Milano http://www.energia.polimi.it/index.php

[email protected]

Aniol Esquerra España Ecoserveis

www.ecoserveis.net

[email protected]

Łukasz Rajek Polonia FEWE The Polish Foundation for Energy Efficiency

www.fewe.pl

[email protected]

http://www.energyagency.at/

http://www.svn.cz/

http://www.energysavingtrust.org.uk/

http://www.co2online.de/

http://www.energia.polimi.it/index.php

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http://www.ecoserveis.net/

http://www.fewe.pl/

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¡Muchas gracias!

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